电子学基础知识

ＶGS=ＩD．Ｒs
将上两式联立，求得ＩD 和ＶGS，则ＶGS=ＶDD-ＩD(Ｒd+Ｒs)
2.源自文库态分析 （1）画出微变等效电路
（2）电压放大倍数 Ａv=-ｇm(Ｒd//ＲL)，式中符号表示输出电压与输入电压反相。由于一般场效应管的跨导只有几个毫西，故场效应管放大电
路的放大倍数通常比三极管放大电路的要小。 （3）输入电阻 Ｒi=Ｒg （4）输出电阻 Ｒo=Ｒd
②随着正向电压ＶGS 的增大，耗尽层也随着加宽，但对于 P 型半导体中的少子（电子），此时则受到电场力的吸引。当ＶGS 增大到某一值时，这些电子被吸引到 P 型半导体表面，使耗尽层与绝缘层之间形成一个 N 型薄层，鉴于这个 N 型薄层是由 P 型半 导体转换而来的，故将它称为反型层。
反型层与漏源间的两个 N 型区相连，成为漏源间的导电沟道。这时，如果在漏源间加上电压，就会有漏极电流产生。人们将 开始形成反型层所需的ＶGS 值称为开启电压，用ＶGS(on)（或ＶT）表示。
谢嘉奎等编．电子线路（线性部分）．第三版．北京：高等教育出版社，１９８８
简评 概念严密，内容有深度，但又不失可读性。关于三级管、场效应管内部结构部分，以及小信号模型推导部分的讲解， 是本页所列几本书中，唯一能让我信服的书籍。以上两个部分推荐为必读部分。另外，关于第四章“放大器基础”以 及第五章“放大电路中的负反馈”也是它的精彩章节。
①当在栅源间外加正向电压ＶGS 时，外加的正向电压在栅极和衬底之间的ＳiＯ2 绝缘层中产生了由栅极指向称底的电场，由 于绝缘层很薄（0.1um 左右），因此数伏电压就能产生很强的电场。该强电场会使靠近ＳiＯ2 一侧 P 型硅中的多子（空穴）受到 排斥而向体内运动，从而在表面留下不能移动的负离子，形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器。
（答案与提示） 四、场效应管放大电路 基本要求
熟练掌握：共源、共漏组态放大电路工作原理；静态工作点；用小信号模型分析增益、输入、输出电阻 难点重点 1．场效应管放大电路与晶体管放大电路类比关系
场效应管和晶体管放大电路工作机理不同，但两种器件之间存在电极对应关系，即栅极 G 对应基极，源极 S 对应发射极，漏 极 D 对应集电极，但晶体三极管是电流控制器件，场效应管是电压控制器件。
（1）共漏；（2）共源；（3）共栅；（4）差动放大 解：共源组态。因为输入信号加在 T1 管的栅极，输出信号取自 T1 管的漏极，所以为共源组态。T2 为有源负载，作为 T1 管
的漏极电阻。
1、试判断如图所示的电路对正弦信号有无放大作用，并简要说明理由。
（答案） 2、场效应管从结构上分成________和________两大类型，它属于_______控制型器件。（注：本题为往年考题） （答案） 3、场效应管（FET）的输入电阻比双极型晶体管（BJT）的输入电阻_______。（00 年北理研究生入学考试考题） 4、图所示为某 MOS 管放大电路的外部电路，由图即可判定该管为_______型 MOS 管。
③显然，栅源电压ＶGS 越大，作用于半导体表面的电场越强，被吸引到反型层中的电子愈多，沟道愈厚，相应的沟道电阻就 愈小。
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（2）漏源电压ＶDS 对沟道的影响
ＩD 流经沟道产生压降，使得栅极与沟道中各点的电位不再相等，也就是加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道产生变化， 导电沟道从等宽到不等宽，呈楔形分布。
二、MOS 管的开关作用 MOS 管作为开关元件，它工作在截止或导通状态。由于 MOS 管是电压控制型器件，所以由ｖGS 决定其工作状态。 4.3 场效应管放大电路（见难点重点） 例 1．分析共源放大电路
解：1.静态分析 对于耗尽型场效应管，当工作在饱和区时，其漏极电流和漏源间电压由下式近似决定
又
当ＶGS 负向增大到某一值后，结两侧的耗尽层向内扩展到彼此相遇，沟道被完全夹断，此时漏源间的电阻将趋于无穷大，如 图（c）所示。相应于此时的漏源间电压ＶGS 称为夹断电压，用ＶGS(off)（或ＶP）表示。
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（2）漏源电压ＶDS 对沟道的影响
（a）
（b）
（c）
当ＶGS>Ｖp 且为某一定值，如果在漏源间加上正向电压ＶDS，ＶDS 将在沟道中产生自漏极指向源极的电场，该电场使得 N
场效应管组成放大电路时，也必须设置合适的静态工作点，所不同的是，场效应管是电压控制器件，它只需合适的偏压，而 不需要偏流，不同类型的场效应管，对偏置电压的极性有不同的要求。
（1）偏置方式：固定偏压、自偏压、分压式自偏压。 （2）静态分析：图解法、近似计算法。 （3）动态分析：一般用小信号模型法。
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随着ＶDS 的增大，ＩD 增大，沟道不等宽的现象变得明显，当ＶDS 增大到某一值时，近漏端的两个耗尽区相遇，这种情况称 为预夹断，如图（b）所示。
继续增大ＶDS，夹断点将向源极方向延伸，近漏端出现夹断区，如图（c）所示。
由于栅极到夹断点 A 之间的反向电压ＶGA 不变，恒为ＶP，因此夹断点到源极之间的电压也就恒为ＶGS-ＶP，而ＶDS 的增加 部分将全部加在漏极与夹断点之间的夹断区上，形成较强的电场。在这种情况下，从漏极向夹断点行进的多子自由电子，一旦到 达夹断点就会被夹断区的电场漂移到漏极，形成漏极电流。
（答案） 7、图所示的 FET 放大电路中，两管 T1、T2 的小信号参数相同，低频跨导为 g，C1～C3 为耦合、旁路电容。 （1）T1 在电路中起什么作用？ （2）画出放大电路中频小信号等效电路。
中国矿业大学信息与电气工程学院 cumtanalog@21cn.com
场效应管是利用半导体表面或内部电场效应来控制输出电流（ｉD）大小的一种半导体器件，它输入端基本上不取电流，具有一 系列优点。
根据结构的不同，场效应管分为结型场效应管和绝缘栅场效应管两大类。 4.1 结型场效应管
结型场效应管有 N 沟道和 P 沟道两种。 一、特性曲线 （1）输出特性曲线 从输出特性曲线上很明显的得出：场效应管是电压控制型器件，栅源间电压ｖGS 控制漏极电流ｉD。 （2）转移特性曲线 可直接从输出特性曲线上用作图法求出。 二、主要参数 夹断电压、饱和漏极电流、低频跨导、输出电阻、最大耗散功率 4.2 绝缘栅型场效应管 由于栅极与源极、漏极之间是相互绝缘的，故称为绝缘栅场效应管。 一、MOS 管的分类 根据 MOS 管所用半导体材料的差异，MOS 场效应管分为 P 沟道和 N 沟道两大类。由于采用的工艺不同，每种材料做的 MOS 管 又分为增强型和耗尽型两种。
17、电路如图，设两管β=100,ｒbb'=0,ＶBE=0.7V, 求:（1）ＩC1,ＶCE1,ＩC2,ＶCE2. （2）Ａv1,Ａv2 及Ａv （3）Ｒi，Ｒo
（答案与提示） 18、自举式射极输出器如图，自举电容ＣB 足够大，求： （1）静态工作点ＩE （2）输入电阻 Ri 及电压增益Ａvs=Ｖo/Ｖs
在分析放大电路时，均采用微变等效电路法。需注意两者不同之处是受控源的控制量。场效应管受电压控制，晶体三极管受 电流控制。场效应管输入电阻很高，分析时，可认为输入端开路。在实际分析中，包含场效应管的电路比包含晶体管的电路简单。 2．JFET 的工作原理（以 N 沟道器件为例）
预备知识：PN 结正偏，空间电荷区变窄；PN 结反偏，空间电荷区变宽。 N 型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。
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说明：本页观点属个人观点。（以下图书，我校图书馆均有收藏，欢迎大家借阅。）
华中理工大学电子学教研室编，康华光主编．电子技术基础（模拟部分）．第四版．北京：高等教育出版社，１９９９
简评 内容比较通俗易懂，每一节后增设了若干个思考题是它最大的特点，另外，每一章后习题选择十分经典，适合作为教 材使用。
（注：本题为 1999 年北京理工大学研究生入学考试“模拟与数字电路”考题） （答案与提示） 5、判断下列管子各工作在什么状态，并简要说明理由。
（a）
（b）
（答案）
6、两级放大电路如图所示，已知 T1 管的 gm，T2 管的 rbe、β
（1）画出小信号等效电路； （2）求放大电路的中频电压放大倍数 Av 的表达式及 Ri、Ro 的表达式。
结型场效应管的结构，观看动画。
（1）栅源间电压ＶGS 对ＩD 的控制
（a）
（b）
（c）
当漏源间短路，栅源间外加负向电压ＶGS 时，结型场效应管中的两个 PN 结均处反偏状态。随着ＶGS 负向增大，加在 PN 结上 的反向偏置电压增大，则耗尽层加宽。由于 N 沟道掺杂浓度较低，故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽，使得沟道变窄， 沟道电阻增大，如图（b）所示。
简评 内容通俗易懂，其中关于三极管放大电路的放大原理、图解法、负反馈部分及运放的线性应用部分，推荐为初学者必 读部分，本书为最好的课后参考书，推荐使用。
简评 本书的内容与它的书名十分贴切，针对难点重点进行讲解，非常适合课余翻阅，推荐为必备参考书。
全国电子技术基础课程教学指导小组编，童诗白，何金茂主编．电子技术基础试题汇编（模拟部分）．北京：高等教育出版社， １９９２
对(b)图，由于ｖGS=0，所以ｖGS=0 的这条输出特性曲线就是电阻特性曲线。 例 3．已知场效应管电路和场效应管的输出特性曲线如图所示，当 Vi 电压为 1V、2V、3V、4V 四种情况时 MOS 管的工作状态如何?
解：只要在输出特性上作出负载线：ｖDS=ＶDD-ｉD×Ｒd ，负载线和每条输出特性的交点决定 Q 点，由 Q 点的位置来决定管 子的工作状态。
余下情况的分析与 JFET 类似。观看动画
对照读物： 谢嘉奎等编．电子线路（线性部分）．第四版．北京：高等教育出版社，１９９９ Ｐ１０１－１１２ 谢嘉奎等编．电子线路（线性部分）．第三版．北京：高等教育出版社，１９８８ Ｐ８７－９５
4．场效应管放大电路
场效应管和半导体三极管一样能实现信号的控制作用，所以也能组成放大电路，不同的是，半导体三极管是通过基极电流来 控制集电极电流，而场效应管则是通过栅源电压来控制漏极电流。
当 Vi 电压为 1V 时，管子处于截止状态；2V、3V 时，管子处于放大状态；4V 时管子处于可变电阻区。 例 4．放大电路如图示，电路中的电容器对输入交流信号可视为短路，根据构成放大电路的原则，试说明下面的各种电路对交流 信号有无放大作用，并说明其理由。
解：（a）管子是 P 沟道，所以电源电压应该是负电源。 （b) 不能放大，因为没有偏置电压。在电源和栅极间接电阻加以解决。 例 5.图示场效应管放大电路的组态是（）
由上述分析可知，共源级放大电路的输出电压与输入电压反相，输入电阻高，输出电阻主要由漏极负载电阻决定。
例 2．图(a)和图(b)分别是增强型 NMOS 和耗尽型 NMOS 管作为可控电阻使用时的电路和输出特性曲线，试画出二者的电阻特性曲 线。
解：对(a)图，由于ｖGS=ｖDS，所以只要在输出特性图中找出ｖGS=ｖDS 的相等点，把这些点中的 U 和 I 求出，描出的曲线 就是电阻特性曲线。
一般情况下，夹断区仅占沟道长度的很小部分，因此ＶDS 的增大而引起夹断点的移动可忽略，夹断点到源极间的沟道长度可 以认为近似不变，同时，夹断点到源极间的电压又为一定值，所以可近似认为ＩD 是不随ＶDS 而变化的恒值。
观看动画（动画源文件下载）
3．MOSFET 的工作原理（以 N 沟道增强型器件为例）
MOS 管是指由金属（Metal）、氧化物（Oxide）、半导体（Semiconductor）三种材料构成的三层器件。具体内部结构，观看 动画。
（1）栅源间电压ＶGS 对ＩD 的控制
当栅源间无外加电压时，由于漏源间不存在导电沟道，所以无论在漏源间加上何种极性的电压，都不会产生漏极电流。
正常工作时，栅源间必须外加电压以使导电沟道产生，导电沟道产生过程如下：
沟道中的多数载流子电子沿着沟道从源极漂移到漏极形成漏极电流ＩD。
由于导电沟道存在电阻，ＩD 流经沟道产生压降，使得沟道中各点的电位不再相等，于是沟道中各点与栅极间的电压不再相 等，也就是加在 PN 结两端的反向偏置电压不再相等，近源端 PN 结上的反向电压最小，近漏端的反向电压最大，结果使耗尽区从 漏极到源极逐渐变窄，导电沟道从等宽到不等宽，呈楔形分布，如图（a）所示。